CN103039325B - 一种痕量灌溉节水性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种痕量灌溉节水性能测试系统，包括储水罐、测试平台、环境状态检测器、压力传感器、数据收集器以及控制终端，其中储水罐通过配备有电磁阀的输水通路用于控制灌溉出水量；测试平台具有多个托盘用于承载栽培槽，痕灌支管路分别穿过各个栽培槽以便实现痕量灌溉；环境状态检测器用于检测环境温度和湿度，压力传感器用于检测栽培槽及其内容物的重量变化；数据收集器用于获取电磁阀的状态信号，并对各类检测数据予以采集及传递给控制终端；控制终端按照所接收的信息，相应确定控水头在不同测试条件的出水量。通过本发明，能够精确获知痕量灌溉控水头的出水量与水压、环境温度和湿度之间的关系，同时实现更全面的痕量灌溉节水性能测试。

Description

一种痕量灌溉节水性能测试系统

技术领域

本发明属于水利设备技术领域，更具体地，涉及一种痕量灌溉节水性能测试系统。

背景技术

我国是一个水资源极其匮乏的国家，人均水资源的占有量只有国际平均水平的1/4，但是人口高居世界首位。随着人口的增加和工农业的发展，到2030年我国的用水量将接近水资源可开发利用量。如何解决工农业日益增多的需水量和总体水资源的减少之间的矛盾，正成为保证可持续发展的重大课题。近年来我国，尤其是北方粮食主产区和生态脆弱地区，连续遭受严重干旱，旱灾发生的频率和影响范围不断扩大，持续时间和遭受的损失持续增加，危害着我国的粮食安全和生态环境。合理利用水资源，尤其是农业水资源，推广节水灌溉技术，已成为关系国计民生的重要策略。

我国政府高度重视水利建设，从上世纪70年代开始相继从国外引进了相关节水灌溉技术，到现在已经取得了一定的效果。滴灌技术被公认为目前效果最好的节水灌溉技术。与传统的大水漫灌相比，滴灌节水效果十分显著，但是还会发生一定的地表蒸发和深层渗漏损失。由于滴灌管道铺在地表，灌溉水发生棵间蒸发；如单位时间内灌溉量超过了土壤的田间持水量，多余水分将渗漏到土壤深层。另外，滴灌技术还存在堵塞问题、成本问题和对电力依赖性大，运行效率低等问题。

为了更好地实现节水效果，克服滴灌技术所存在的问题，我国学者诸钧在中国专利申请CN200380100379.3提出了一种不同于微灌技术的新型节水灌溉技术——痕量灌溉节水技术。所谓痕量灌溉，是指在满足植物水分需求的前提下，通过在灌水器水管内部设置控水头来控制水流方向，相应将低压水转化成极细小的水流，然后以微小的速度（10-200mL/h），均匀、不间断地通过插入到土壤中的毛细管直接输送到植物根系附近的土壤。痕量灌溉节水效果的实现主要在于利用了毛细管的毛细力作用。当痕量灌水器出水口的毛细管与干燥土壤相接触时，灌水器中的水将会被土壤中的空隙自动抽出，与此同时灌水器内部所产生的抽水力迫使水流继续经过滤膜流入到毛细管中，并再次被土壤吸走，而当土壤湿润到一定程度后毛细管将自动停止抽水，以此方式达到了一种自动节水式灌溉的效果。

鉴于痕量灌溉技术具备以上独特的技术优势，因此该技术近年来日益受到重视，并具备广泛的应用前景。对于痕量灌溉的系统规划及其控水头设计等方面而言，痕量灌溉的水力性能都是其重要依据，并对痕量灌溉控水头的出水量、抗堵塞结构设计具备重要的指导作用。相应地，实践中迫切需要构建一种规范、标准的痕量灌溉节水性能测试方案，以便对其水力性能进行测量，并作为系统规划及其控水设计的参考。然而，现有技术中的相关测试装置大部分仅限于对微灌或滴灌灌水器水力性能的实验研究，其测试原理及测量方式并不能较好地适应痕量灌溉场合；此外，痕量灌溉控水头的毛细出水流量与所处环境的温度以及湿度均有密切关系，现有的节水性能测试方式并未对这些重要影响因素予以考虑；再者，由于需要手工操作和装置设计方面的限制，最后所获得的灌水器指标与实际应用仍然存在偏差，而且大多数测试装置只能检测灌水器的压力-流量关系。因此，相关领域中存在着以下的技术需求，即希望寻找一种可针对痕量灌溉自身特点、并且能够更为精确、全面地获知其水力性能的测试方案。

发明内容

针对现有技术的缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提供一种痕量灌溉节水性能测试系统，其通过针对痕量灌溉技术自身特点来相应构建专门的测试系统，能够精确获知痕量灌溉控水头的出水量与水压之间的关系，同时实现对温度、湿度等这些影响痕量灌溉节水效果的因素的测量和控制，并具备操作简单、自动化程度高、能够快速评估痕灌节水性能等优点。

按照本发明，提供了一种痕量灌溉节水性能测试系统，该测试系统包括储水罐、测试平台、环境状态检测器、压力传感器、数据收集器以及控制终端，其特征在于：

所述储水罐安装在储水罐支架上，并通过输水通路向设置在测试平台上的痕灌主管路保持灌溉用水的供给，其中输水通路配备有电磁阀，以便对所输送的水量相应进行控制；

所述测试平台安装在测试平台支架上端的载重板上，并具有多个托盘分别用于承载对应的栽培槽，与痕灌主管路相连通的多个痕灌支管路分别穿过各个栽培槽底部的土壤，并通过所具备的控水头实现痕量灌溉；

所述环境状态检测器包括温度传感器和湿度传感器，分别用于对测试平台所处区域的环境温度和湿度等状态执行检测；

所述压力传感器放置在各个托盘的下部，用于对栽培槽及其内容物的重量变化状况执行检测；

所述数据收集器用于获取电磁阀的状态信号，并对该状态信号下环境状态检测器和压力传感器的检测数据予以采集，并共同传递给控制终端；

所述控制终端按照所接收的信息，相应确定控水头在不同测试条件下的出水量，从而实现对痕量灌溉的节水性能测试。

通过以上构思，由于采用压力传感器来测量土壤在不同痕灌条件下的吸水量，当土壤吸水时，作用在压力传感器上的力也相应发生变化，这样就能以更为精确、快捷的方式获知各个控水头的出水量，实时反映痕量灌溉的水力性能；此外，当进行每次节水性能测试时，通过对试验参数（不同水压或供水量、土壤或痕灌支管等）进行调整，同时记录在不同试验参数下的压力、温度和湿度相关数据，相应可以方便地实现痕量灌溉在不同应用场合时的节水性能测试，同时能够更为全面地考虑及评价痕量灌溉节水性能的影响因素，并作为进一步调整的依据，以便实现更优的节水效果。

作为进一步优选地，所述输水通路包括分别从储水罐两侧引出并且沿着高度方向下降的输水管，它们各自经由三通管与测试平台上的痕灌主管路相连。

作为进一步优选地，所述测试平台包括由多根方形钢管彼此搭接而成并构成正方形网格状的底座，用于承载栽培槽的托盘通过螺栓固定在方形钢管上并分别处于各个正方形网格内，所述压力传感器同样通过螺栓固定在方形钢管上并分别处于各个托盘的下部。

作为进一步优选地，所述底座由九根方形钢管按照四横五纵的方式焊合搭接而成。

作为进一步优选地，各个栽培槽的两侧分别开有比痕灌支管孔径稍大的通孔，痕灌支管路经由这些通孔穿过栽培槽底部的土壤，且其控水头的出水孔位于中央位置。

作为进一步优选地，所述测试平台支架的四周分别焊接有加强板。

作为进一步优选地，所述压力传感器为压电式传感器，且其量程为20KG。

作为进一步优选地，所述温度传感器为TS-18B20型数字温度传感器，所述湿度传感器为SHT15型智能湿度传感器。

总体而言，按照本发明的与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、基于对痕量灌溉技术自身灌溉原理的研究，通过采用压力传感器来监控栽培槽内含水量的变化并对其设置方式进行设计，能够以结构紧凑、便于操作的方式来获知痕量灌溉控水头的出水量与水压、环境温度和湿度之间的关系；

2、由于在测试过程中考虑到温度和湿度等环境因素对痕量灌溉节水性能的影响，能够更为全面、准确地反映各种不同条件下的痕量灌溉水力性能，以便制订出符合不同应用场合的痕灌系统规划；

3、按照本发明的痕量灌溉技术性能测试系统自动化程度高、数据易采集，便于实现对痕量灌溉节水性能的快速评价，因此无论在实验室或各种实践场合都能得到很好的应用。

附图说明

图1是按照本发明的痕量灌溉节水性能测试系统的整体结构示意图；

图2是图1中所示测试平台的立体结构图；

图3是图1中所示设置有压力传感器的测试平台的排列示意图；

图4是按照本发明的测试系统的测试原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-储水罐  2-测试平台  3-温度传感器  4-湿度传感器  5-压力传感器  6-数据收集器  7-控制终端  11-储水罐支架  12-输水管  13-输水管  14-三通管  15-三通管  16-电磁阀  17-电磁阀  21-测试平台支架22-承重板  23-底座  24-托盘  25-加强板  26-方形钢管  27-痕灌支管路28-痕灌主管路  29-栽培槽  51-数模转换器  52-单片机数据采集器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的痕量灌溉节水性能测试系统的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的痕量灌溉节水性能测试系统主要包括储水罐1、测试平台2、温度传感器3、湿度传感器4、压力传感器5、数据收集器6以及控制终端7。

储水罐1安装在储水罐支架11上，并譬如通过分别从储水罐1两侧引出并且沿着高度方向下降的输水管12和13，这两根输水管各自经由三通管14、15与测试平台2上的痕灌主管路28相连。输水管12、13的接近于测试平台的下游端分别配备有电磁阀16、17，由此通过控制电磁阀来控制住输水管内的水压大小，进而控制所输送的水量。

测试平台2同样安装在测试平台支架21上，该支架21的上端固定有承重板22，以便能够承受放置其上的多个栽培槽29等。为了提高整体的强度，还可以在支架21的四周设置有加强板。具体如图2和图3中所示，测试平台2包括譬如由九根方形钢管26以四横五纵的方式彼此搭接而成、并构成正方形网格状的底座23，在各个正方形网格内，托盘24通过螺栓固定在方形钢管26上，由此用于承载栽培槽29。与痕灌主管路28相连通的多个痕灌支管路27分别穿过各个栽培槽29两侧的通孔并埋在其底部的土壤中，由此通过位于其中间位置的控水头来实现痕量灌溉。

为了实现对痕量灌溉节水性能的测试，在本发明中设计了温度传感器3、湿度传感器4和压力传感器5来共同组成检测功能元件。压力传感器5譬如通过螺栓固定在方形钢管26上，并处于各个托盘24的下部，由此通过对各个栽培槽及其内容物的重量变化状况的检测，来反映相应控水头的出水量状态。此外，温度传感器3和湿度传感器4分别用于对测试平台所处区域的环境温度和湿度等环境状态也相应予以检测。

数据收集器6用于获取电磁阀16、17的状态信号，并对该状态信号下温度传感器、湿度传感器和压力传感器的检测数据予以采集，并共同传递给控制终端7。控制终端7则按照所接收的信息，相应确定控水头在不同测试条件下的出水量，从而实现对痕量灌溉的节水性能测试。

在一个优选实施例中，考虑到压力传感器的作用就是将容器内重量的变化转化为电信号并传输给控制终端，本测试系统中的单个栽培槽的质量主要就是容器中土壤的质量，因此可以根据常规栽培槽容器的体积来相应确定适当的压力传感器规格。常规栽培槽的体积约13.6L,土壤密度约为2.65KG/L，而土壤不会装满，因此容器的总质量不会超过20KG，在此情况下，本发明中的压力传感器为压电式传感器，且其量程为20KG。在另外一个优选实施例中，同样针对对本发明的测试系统所应用场合的特点，温度传感器3可以选择成本低廉的TS-18B20型数字温度传感器，而湿度传感器4选择为SHT15型智能湿度传感器，该智能湿度传感器将湿度传感器、信号调理、模/数转换器、标定参数及I2C总线接口全部集成到传感器内部，既提高了传感器的性能，又降低了成本、减少了体积，同时也非常便于和微控制器接口。

下面将参照图4来具体描述按照本发明的痕量灌溉节水性能测试系统的工作原理及过程。

实验开始前，储水罐装有清水，将要测试的痕灌支管路安装在痕灌主管路的相应位置上，在栽培槽中加入适当的土壤，保证痕灌支管路的控水头完全埋在土壤内。在储水罐内加入适量的灌溉用水，之后检查控制系统正常和各处管路畅通后，打开控制终端并开启电磁阀。通过控制电磁阀来控制住管道中的水压的大小，每进行一种（水压、土壤或痕灌支管）实验结束后，控制终端都会收集每个压力传感器以及温度、湿度等数据，其中压力传感器通过数模转换器51和单片机数据采集器52经由总线与温度传感器、湿度传感器一起将采集的信息发送至控制终端，进行数据处理与反馈。另外，控制终端还具有设定参数和管理功能。相应地，通过压力传感器反馈的压力数据可以间接得到控水头的出水量，同时考虑温湿度等因素的影响，由此实现对痕灌支管路控水头的出水量及其节水性能方面的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种痕量灌溉节水性能测试系统，该测试系统包括储水罐、测试平台、环境状态检测器、压力传感器、数据收集器以及控制终端，其特征在于：

所述储水罐安装在储水罐支架上，并通过输水通路向设置在测试平台上的痕灌主管路保持灌溉用水的供给，其中输水通路配备有电磁阀，以便对所输送的水量相应进行控制；

所述测试平台安装在测试平台支架上端的载重板上，并具有多个托盘分别用于承载对应的栽培槽，与痕灌主管路相连通的多个痕灌支管路分别穿过各个栽培槽底部的土壤，并通过所具备的控水头实现痕量灌溉；

所述环境状态检测器包括温度传感器和湿度传感器，分别用于对测试平台所处区域的环境温度和湿度状态执行检测；

所述压力传感器放置在各个托盘的下部，用于对栽培槽及其内容物的重量变化状况执行检测；

所述数据收集器用于获取电磁阀的状态信号，并对该状态信号下环境状态检测器和压力传感器的检测数据予以采集，并共同传递给控制终端；

所述控制终端按照所接收的信息，相应确定控水头在不同测试条件下的出水量，从而实现对痕量灌溉的节水性能测试。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述输水通路包括分别从储水罐两侧引出并且沿着高度方向下降的输水管，它们各自经由三通管与测试平台上的痕灌主管路相连。

3.如权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于，所述测试平台包括由多根方形钢管彼此搭接而成并构成正方形网格状的底座，用于承载栽培槽的托盘通过螺栓固定在方形钢管上并分别处于各个正方形网格内，所述压力传感器同样通过螺栓固定在方形钢管上并分别处于各个托盘的下部。

4.如权利要求3所述的测试系统，其特征在于，所述底座由九根方形钢管按照四横五纵的方式焊合搭接而成。

5.如权利要求3所述的测试系统，其特征在于，各个栽培槽的两侧分别开有比痕灌支管孔径稍大的通孔，痕灌支管路经由这些通孔穿过栽培槽底部的土壤，且其控水头的出水孔位于中央位置。

6.如权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述测试平台支架的四周分别焊接有加强板。

7.如权利要求3所述的测试系统，其特征在于，所述压力传感器为压电式传感器，且其量程为20KG。

8.如权利要求7所述的测试系统，其特征在于，所述温度传感器为TS-18B20型数字温度传感器，所述湿度传感器为SHT15型智能湿度传感器。

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